Giáo trình điện tử công suất

Giáo trình điện tử công suất

Môn học ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

( Mạch điện tử công suất, điều khiển và ứng dụng )

Tài liệu tham khaœo:

- tiếng Anh: - POWER ELECTRONICS – Circuits, devices and applications , M.H Rashid

Pearson Education Inc Pearson Prentice Hall 2004

- tiếng Việt: - Bài giảng Điện tủ công suất 1 & Bài tập, PTS Nguyễn văn Nhờ, Khoa

Điện & Điện tử, ĐHBK TP HCM

- Điện tủ công suất, NGUYỄN BÍNH, Hànội, nhà xuất bản KHKT

- Điện tử công suất và điều khiển động cơ điện, ( dịch từ tiếng Anh )

I.1 CÁC KHÁI NIỆM:

- Các tên gọi của môn học:

Điện tử công suất (Power Electronics)

Điện tử công suất lớn

Kỹ thuật biến đổi điện năng

- ĐTCS là một bộ phận của Điện tử ứng

dụng hay Điện tử công nghiệp

Hình 1.0 : Sơ đồ khối thiết bị ĐTCS

- Phân loại các bộ Biến Đổi (BBĐ - Converter) theo mục đích:

AC > DC: chỉnh lưu

AC > AC: BBĐ áp AC, Biến tần

DC > DC: BBĐ áp DC

DC > AC: Nghịch lưu

- Bộ Biến Đổi = Mạch ĐTCS + bộ ĐIỀU KHIỂN

Mạch ĐTCS giới hạn ở các sơ đồ sử dụng linh kiện điện tử làm việc ở chế độ đóng ngắt, gọi là Ngắt Điện Điện Tử (NĐBD) hay Bán Dẫn dùng cho biến đổi năng lượng điện

Bộ ĐIỀU KHIỂN = Mạch điều khiển vòng kín (nếu có) + Mạch phát xung

Mạch phát xung cung cấp dòng, áp điều khiển các NĐBD để chúng có thể đóng ngắt theo trình tự mong muốn

Ví dụ Ngắt Điện Bán Dẫn: Diod, Transistor, SCR

- BBĐ còn có thể phân loại theo phương thức hoạt động của NĐBD

I.2 NGẮT ĐIỆN BÁN DẪN:

Còn gọi là ngắt điện điện tử ( NĐĐT ), là các linh kiện điện tử dùng trong mạch ĐTCS được lý tưởng hóa để các khảo sát của mạch ĐTCS có giá trị tổng quát bao gồm ( hình 1.1 ):

BBĐ

ON : khi phân cực thuận: VAK > 0, có thể xem sụt áp thuận VF = 0, dòng qua mạch phụ thuộc nguồn và các phần tử thụ động khác

OFF : khi phân cực ngược: VAK < 0, có thể xem như hở mạch

Hình 1.1: Các loại ngắt điện bán dẫn

- SCR ( Chỉnh lưu có điều khiển ): Hoạt động như sau:

OFF : Có thể ngắt mạch cả hai chiều ( VAK > 0 và VAK < 0 ) khi không có tín hiệu điều khiển : G = 0

ON : SCR trở nên dẫn điện ( đóng mạch ) khi có tín hiệu điều khiển: G ≠ 0 và phân cực thuận VAK > 0 Điểm đặt biệt là SCR có khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện: nó không cần tín hiệu G khi đã ON, SCR chỉ trở về trạng thái ngắt khi dòng qua nó giảm về 0

- Ngắt điện bán dẫn một chiều ( NĐBDMC ), gọi tắt là ngắt điện hay TRANSISTOR có hoạt động như sau:

OFF : Ngắt mạch khi không có tín hiệu điều khiển : G = 0 Cũng như các TRANSISTOR, NĐBDMC không cho phép phân cực ngược ( VS luôn luôn > 0 )

ON : NĐBDMC trở nên dẫn điện ( đóng mạch ) khi có tín hiệu điều khiển: G ≠ 0 và trở về trạng thái ngắt mạch khi mất tín hiệu G NĐBDMC có hai loại chính : BJT tương ứng tín hiệu G là dòng cực B, và MOSFET công suất với G là áp VGS

Các NĐBD lý thuyết trên chỉ làm việc với một chiều của dòng điện, trong khi các linh kiện điện tử công suất thực tế có thể dẫn điện cả hai chiều, lúc đó mạch khảo sát sẽ biểu diễn bằng tổ hợp các NĐBD lý thuyết

I.3 NỘI DUNG KHẢO SÁT MẠCH ĐTCS:

Đầu vào khảo sát : Mạch ĐTCS + tín hiệu điều khiển NĐBD + đặc tính tải

Đầu ra: hoạt động của mạch: u(t), i(t) các phần tử

=> Các đặc trưng áp, dòng, công suất

1 Các đặc trưng áp, dòng:

- Giá trị cực đại:

- Giá trị trung bình V O , I O

- Giá trị hiệu dụng V R , I R

Các biểu thức cho dòng điện trung bình và hiệu dụng:

G

[ ] ( )

1

)

(

T R

T I

dt t i T

Các biểu thức cho điện áp VO, VR cũng có dạng tương tự

2 Sóng hài bậc cao và hệ số hình dáng:

=+

+

=

1 n

2 n

2 o R

n

n 1 n

2 n

2

n

n

T n

T n

1

0 n

1

0

V 2

1 V V

B

A tg B

A

V

dt t n cos ) t ( v T

2 B dt t n sin ) t ( v T

2 A

) t n sin(

V v v

V ) t n cos B t n sin A ( V

và

với

ϕ

ω ω

ϕ ω ω

ω

<1.2>

trong đó : V 0 : trị số trung bình ( thành phần một chiều ) của v(t)

ω : tần số góc của v(t), chu kỳ T=ω/2π

v n : sóng hài bậc n – có tần số nω

A n , B n : các thành phần sin, cos của sóng hài bậc n

V n , ϕn : biên độ và lệch pha của sóng hài bậc n

V R : Trị hiệu dụng của v(t)

Hệ số hình dạng ( form factor ): tỉ số giữa giá trị hữu dụng và giá trị hiệu dụng,

ví dụ với bộ biến đổi có ngỏ ra một chiều:

R

o

V

KF = V V O R : trị số hiệu dụng áp ra : trị số trung bình áp ra

ví dụ với bộ biến đổi có ngỏ ra xoay chiều:

1

AC

R

V KF

V

= V 1 : trị số hiệu dụng sóng hài bậc 1 (cơ bản) áp ra

V R : trị số hiệu dụng áp ra

Độ biến dạng (THD - Total harmonic distortion):

Đối với ngỏ ra DC: R2 o2

= V1: sóng hài bậc 1 (cơ bản)

3 Công suất và hệ số công suất: Bao gồm:

- Công suất tác dụng P : biểu thị năng lượng sử dụng trong một đơn vị thời gian

- Công suất biểu kiến S : tính bằng tích số giá trị hiệu dụng dòng và áp, biểu thị năng lượng sử dụng trong một đơn vị thời gian nếu xem tải là thuần trở

- Hệ số công suất HSCS hay cos ϕ : cho biết hiệu quả sử dụng năng lượng Khi tải là thuần trở , nguồn điện hình sin hay một chiều sẽ có HSCS bằng 1

S

P HSCS

I V S dt

t i t v T

1 1 0

dt t i t

v

T

P

I V P I

V

P

cos

) ( )

P 1 :Khi quan tâm đến thành phần cơ bản của ngỏ

ra ( hình sin tần số ω ), có điện áp và dòng điện

biên độ V 1 , I 1 , góc lệch ϕ1

P O hay P DC: công suất một chiều (tải điệân một

chiều) với V 0 , I 0 là các trị số áp, dòng trung

bình

P : công suất toàn phần ở ngỏ ra, gồm thành phần một chiều và sóng hài bậc cao

Ở các BBĐ ngỏ ra áp một chiều, V 0 , I 0 , P DC là các thành phần mong muốn, sóng hài bậc

cao (các thành phần hình sin ) là không mong muốn, chỉ tạo ra các tác dụng phụ

- Trường hợp thường gặp: áp nguồn hình sin hiệu dụng V, dòng không sin, giá trị hiệu dụng

thành phần cơ bản là IR1 :

Kết quả: Chỉ có trường hợp dòng một chiều

phẳng ở nguồn một chiều phẳng, và dòng hình

sin đồng pha với áp nguồn(cũng hình sin) là có

HSCS bằng 1

4 Phương pháp nghiên cứu mạch:

Hình vd1: Trường hợp nguồn hình sin, dòng là xung vuông HSCS không thể bằng 1

a Mạch điện tử công suất = tổ hợp nhiều mạch tuyến tính thay đổi theo trạng thái của các ngắt điện:

Suy ra để giải mạch ĐTCSù, ta luôn phải kiểm tra các điều kiện để tìm ra trạng thái của các ngắt điện để chọn ra sơ đồ nối mạch

Ví dụ 0: Mạch chỉnh lưu hình (a) có thể là các mạch hình (b), (c), (c) tùy thuộc vào dòng điện tải i O :

v

o o

Mạch chỉnh lưu bán sóng

có diod phóng điện D2, v là

nguồn xoay chiều

o

i v

o v

(b)

L R

Ở bán kỳ v > 0, D1 dẫn dòng i O > 0

i

o v o

(c)

L R

Khi D2 dẫn điện, D1 không dẫn: v<0 và dòng i O > 0

o

o i v

(d)

R L

Khi dòng i O = 0 tương ứng không có diod dẫn điện

b Giải trực tiếp QTQĐ mạch ĐTCS bằng PT vi phân hay biến đổi Laplace:

Với điều kiện dầu được biết ở t = 0, ta giải mạch điện theo t khi lưu ý trạng thái của các ngắt điện Kết quả thu được các phương trình mô tả dòng , áp các phần tử mạch theo t

Ví dụ1: Khảo sát chỉnh lưu 1 diod tải RL có D phóng điện của ví dụ 0, mô tả hoạt động của mạch và tính trị trung bình áp Áp nguồn v= 2Vsinwt , điều kiện đầu t = 0, i O = 0

Giả sử ta đóng nguồn ở t = 0 : v > 0, D1 dẫn điện, mạch điện tương đương hình (b): phương trình vi phân mô tả mạch điện là:

c Giải chu kỳ tựa xác lập mạch ĐTCS bằng PT vi phân hay biến đổi Laplace:

Đặc tính mạch điện ở chế độ tựa xác lập có thể được tính khi ta khảo sát hoạt động trong một chu kỳ với giả sử các giá trị ban đầu của biến trạng thái của mạch được biết Kết quả cho ta một hệ phương trình để tính các giá trị ban đầu này khi cho giá trị đầu bằng giá trị cuối

Ví dụ 2: Giải tiếp tục ví dụ 1 ở chế độ tựa xác lập

Giả sử ta đóng nguồn ở t = 0 : D1 dẫn điện, phương trình vi phân mô tả mạch điện là:

điều kiện đầu

Ở bán kỳ kế, D2 cũng dẫn điện, phương trình vi phân mô tả mạch điện là:

điều kiện đầu ( ) , với

=> i o =I e o −tτvà ở cuối chu kỳ = −πwτ

o

I1 I e <vd2.3>

<vd2.3>, <vd2.2> cho phép ta tính I 1 và I o từ đó vẽ được dạng dòng i O

Nhận xét: Phương pháp này cho phép ta tính đặc tính mạch trong chế độ xác lập, nhưng việc rút ra các đặc trưng dòng, áp của mạch rất khó khăn, đòi hỏi tích phân những hàm lượng giác có cả hàm mũ

d Khảo sát dòng áp trên tải bằng nguyên lý xếp chồng:

Nguyên lý xếp chồng được phát biểu như sau: Tác dụng của một tín hiệu có chu kỳ trên hệ thống tuyến tính có thể được xác định bằng tổng các tác dụng trên hệ tuyến tính này của các thành phần Fourier hợp thành tín hiệu đó

Vậy nguyên lý xếp chồng cho thấy ý nghiã của các thành phần Fourier và cho ta một phương pháp khảo sát các mạch điện tử công suất ở chế độ xác lập, ví dụ dòng tải có thể tính như sau:

- Giá trị trung bình dòng qua tải có thể xác định bằng cách tính dòng qua tải khi đặt lên tải điện áp một chiều bằng giá trị trung bình áp trên tải

- Các sóng hài (hình sin) bậc cao của điện áp nguồn sẽ tạo ra dòng điện hình sin có cùng tần số chạy qua tải

Và dòng điện thực sự chạy qua mạch sẽ là tổng của các thành phần này Phương pháp này không cho ta kết kết quả chính xác vì không thể tính hết các sóng hài cũng như tổng chúng lại Thực tế ta chỉ cần tính tác dụng của những thành phần có ảnh hưởng lớn mà thôi

Hình vd2: Mạch RC cung cấp bằng xung vuông

Ví dụ 3: Tính dòng và áp trung bình qua điện trở R2 của mạch điện hình Vd2 áp nguồn v

có dạng trên hình Vd2.a, V = 200 volt

Giải: Trị trung bình áp ra: 2 / 6

100 ohm

t

V

v

Hình Vd2.a: dạng áp nguồn tính bằng số

Hình Vd2.b: Mạch tương đương với thành phần một chiều

e Dùng biến đổi Laplace rời rạc

f Khảo sát mô hình toán mạch ĐTCS bằng máy tính (dùng chương trình mô phỏng) hay khảo sát mô hình thực tế trong phòng thí nghiệm:

Thuật toán tổng quát để khảo sát mạch ĐTCS bằng máy tính:

Nhận xét: Việc khảo sát bằng máy tính ứng dụng phương pháp số để giải phương trình vi phân cho ta dòng áp qua các phần tử theo từng sai phân thời gian Δ t

I.4 TÓM TẮT CÁC Ý CHÍNH:

Sau khi học chương 1, cần nắm vững các nội dung sau:

- Công thức tính toán trị trung bình, hiệu dụng của dòng điện (điện áp) và ý nghiã của nó

- Nguyên lý hoạt động của các ngắt điện điện tử, cách vận dụng vào khảo sát một mạch điện tử công suất

I.5 BÀI TẬP:

1 Tính và vẽ dạng dòng i O qua tải Cho biết quá

trình làm việc của mạch như sau:

- t = 0: khóa K đóng với dòng ban đầu qua tải i O = 0

- Sau khi K đóng đủ lâu để dòng qua tải i O xem như đạt

giá trị xác lập, ta mở khóa K

e

R v

v

L D

Áp nguồn một chiều e = E

2 Tính và vẽ dạng dòng qua tải i O, áp trên tụ

v C theo thời gian trong các điều kiện đầu (khi K đóng):

a L và C không tích trữ năng lượng

K i o

R v L v

o

v =

+_

C v

R

L C

Bước mở đầu: Xác

định dòng áp qua các

phần tử ở thời gian t =

0+

Bước 1: Dựa vào

tín hiệu điều khiển và

dòng, áp qua các ngắt

điện,

3 Giải lại bài 2 khi có diod D nối

tiếp với nguồn

R đủ nhỏ để dòng áp có tính dao

vL

K

v

R C

L D

4 Giải lại bài 2 khi có diod D song song ngược

với RLC Khảo sát thêm trường hợp c:

c v C (0) = - E; i O (0) = I 1 khi khóa K đóng

R đủ nhỏ để dòng áp có tính dao động e = E

R v L v

o

v =

+_

C v

Chương 2 : LINH KIỆN ĐTCS

Để thực hiện các ngắt điện điện tử trong chương 1, có thể sử dụng nhiều linh kiện hay nhóm linh kiện điện tử chịu được áp cao – dòng lớn, làm việc trong hai chế độ:

- Dẫn điện hay bảo hoà (ON): sụt áp qua kênh dẫn điện rất bé, dòng phụ thuộc vào tải

- Khóa (OFF): dòng qua nó rất bé (≈ 0), kênh dẫn điện như hở mạch

Các linh kiện chính: diode, thyristor (SCR), BJT và MosFET

- Có loại diod dòng bé dùng cho mạch xử lý tín hiệu, diod công suất chịu dòng lớn hơn cho mạch ĐTCS, diod làm việc ở mạch cao tần có tụ điện mối nối bé

- Diod công suất chia làm hai loại: dùng ở tần số công nghiệp (diod chỉnh lưu) và diod dùng cho mạch đóng ngắt ở tần số cao

2 Đặïc tính phục hồi của diod (recovery):

- Mô tả: Khi chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái khóa, có khoảng

thời gian ngắn diod dẫn dòng ngược gọi là thời gian phục hồi ngược trr (rr: reverse recovery) trước khi thật sự khóa như hình II.1.1 Dòng điện này ứng với việc xả và nạp ngược lại các điện tích của mối nối (tương ứng tụ điện mối nối) khi diod bị phân cực nghịch

- trr có trị số khá lớn ở diod tần số công nghiệp làm cho chúng không thể làm việc ở vài chục KHz, nhưng khá bé, cở vài micro giây ở diod phục hồi nhanh (fast

recovery) Ngoài trr , đặc tính phục hồi của diode còn đặc trưng qua điện tích QRR

là tích phân của dòng điện ngược theo t

- Ảnh hưởng của đặc tính phục hồi: Diod phục hồi nhanh (được dùng cho

mạch đóng ngắt tần số cao) có đặc tính phục hồi hình II.1.1.b: dòng ngược tăng dần

đến IRR và giảm về 0 rất nhanh sau đó Sự thay đổi đột ngột trạng thái của dòng điện này sẽ tạo ra quá áp cho các phần tử mạch hay gây nhiễu do các L của mạch

hay ký sinh do tốc độ tăng (giảm) dòng di/dt lớn

Ta có trr = ta + tb ≈ ta Khi cho ≈ tb là không đáng kể

Gọi di

dt là tốc độ tăng dòng âm: Ta có RR

a

I di

Vậy với QRR cho trước, để giảm IRR cần phải hạn chế di/dt khi khóa

- Không chỉ diod, SCR với tư cách là chỉnh lưu có điều khiển cũng gặp vấn đề tương tự

II.2 THYRISTOR VÀ SCR:

1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động SCR:

cực điều khiển

Hình II.2.1: Ký hiệu và nguyên lý SCR

- Khi mới cấp điện, iG = 0 : SCR khóa thuận và ngược – IA là dòng điện rò,

rất bé, cở mA với VAK ≠ 0

Hình II.2.2: Cấu tạo một SCR dòng lớn ở tỉ lệ thực (a) và phóng to mảnh tinh thể bán dẫn (b)

- Khi SCR phân cực thuận - VAK > 0, và có tín hiệu điều khiển - IG > 0, SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện và có khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện cho đến khi dòng qua nó giảm về 0

2 Đặc tính tĩnh ( volt – ampe ): Mô tả quan hệ IA(VAK) với dòng IG khác nhau

Hình II.2.3 Sơ đồ thí nghiệm và đặc tuyến volt – ampe của SCR

* VAK < 0 : Khóa ngược: Chạy qua SCR là dòng rò ngược, cở mA Khi VAK < -

VRB ta có hiện tượng gãy ngược, dòng | IA | tăng rất cao trong khi VAK vẫn giữ trị số lớn => SCR bị hỏng

* VAK > 0 và IG = 0 : Khóa thuận: Ta có là dòng rò thuận, cũng cở mA Khi

VAK > VFB ta có hiện tượng gãy thuận: SCR chuyển sang vùng dẫn điện

Ta phải chọn định mức áp của SCR lớn hơn các giá trị gãy này, hệ số an toàn điện áp thường chọn lớn hơn hay bằng 2

Khi phân cực thuận, nếu IG tăng lên từ giá trị 0, VFB giảm dần Như vậy, dòng

IG cần phải đủ lớn để có thể sử dụng SCR như một ngắt điện điện tử: SCR chuyển sang trạng thái dẫn ngay khi được kích bất chấp điện áp phân cực thuận

* Vùng dẫn điện: Ứng với trường hợp SCR đã được kích khởi khởi và dẫn điện, sụt áp qua SCR VAK = VF khoảng 1 - 2 volt Trong vùng dẫn điện có hai đặc trưng dòng:

+ IL : dòng cài, là giá trị tổi thiểu của IA để SCR có thể duy trì trạng thái dẫn khi dòng cực cổng IG giảm về 0 ( kích SCR bằng xung )

+ IH : dòng giữ, là giá trị tổi thiểu của IA để SCR có thể duy trì trạng thái dẫn ( khi không còn dòng cực cổng IG Nếu dòng anode thấp hơn IH, SCR sẽ trở về trạng thái khóa

IL khác IH vì có quá trình lan tỏa của dòng anode từ vùng phụ cận của cực G đến toàn bộ mảnh bán dẫn khi SCR được kích ( có dòng cực nền), tương ứng mật độ dòng giảm dần, làm cho hệ số khuếch đại dòng điện tăng Quá trình quá độ này còn ảnh hưởng đến giới hạn di/dt, được giới thiệu trong đặc tính động của SCR

2 Đặc tính động ( đóng ngắt ):

a Đặc tính mở: ( turn on )

Thời gian trễ ton

Giới hạn tốc độ tăng dòng diA/dt

Hình II.2.4.a Đặc tính động : mở và khóa của SCR

Hình II.2.4.b Cấu tạo SCR cực cổng có dạng cổ điển (1) và phức tạp (2) phân bố trên toàn diện tích miếng bán dẫn để tăng di/dt

b Đặc tính khoá: ( turn off )

- Mô tả quá trình khóa SCR

- Thời gian đảm bảo tắt toff toff = [ 10 50 ] micro giây với SCR tần

số cao

[ 100 300 ] micro giây với SCR chỉnh lưu

- Có giới hạn tốc độ tăng du/dt để tránh tự kích dẫn

- Có quá trình dẫn dòng ngược khi khóa (đặt áp âm) như diod (đặc tính phục hồi ngươc)

- Cần có mạch bảo vệ chống tự kích dẫn (hình II.2.5)

(2) (1)

C2 = 0.05 – 0.1 uF; R2 = 33 – 100 ohm; R1 tăng khi áp SCR tăng và/hay dòng tải giảm, từ 20 – 100 ohm; C1 tăng khi dòng SCR tăng và/hay áp SCR giảm, từ 0.1 – 0.5 uF

Hình II.2.5: Mạch snubber R1C1 và RC cực cổng bảo vệ SCR khỏi các chế độ kích dẫn không mong muốn

3 Đặc tính cổng: (hay kích khởi cổng)

(1) là đặc tính IG(VG) tiêu biểu, (2) là đặc tính IG(VG) ứng với điện trở RG bé, (3) ứng với điện trở RG lớn

Các thông số giới hạn ( cực đại ) của

tín hiệu cực cổng để tránh hư hỏng SCR:

dòng IGmax, áp VGmax và công suất tiêu tán

trung bình PGmax của cực cổng (Công suất tiêu

tán còn phụ thuộc bề rộng xung kích SCR)

Các sổ tay tóm tắt thường chỉ cung cấp các

thông số giới hạn (bé nhất) cho đảm bảo

kích: VGT, IGT

Hình II.2.6: Đặc tính cổng SCR

Và như vậy điểm làm việc của cổng SCR phải nằm trong các giới hạn này, vùng được tô trong hình II.2.6

Trong thực hành, có thể ước tính IGT bằng cách sử dụng hệ số khuếch đại dòng của SCR tính bằng tỉ số IA định mức / IGT , hệ số này có giá trị từ 100 200 Dòng kích SCR sẽ chọn từ 1.5 5 lần giá trị này, số càng cao khi cần đóng ngắt tốt, làm việc ở tần số cao hay kích bằng xung

4 Các linh kiện khác trong họ thyristor:

Thyristor là họ linh kiện có ít nhất 4 lớp với SCR là đại diện Thyristor hoạt động theo nguyên lý phản hồi dương nên luôn có khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện (kích dẫn) Nhưng không như SCR, một số SCR được chế tạo để có thể điều khiển được quá trình khoá và là một ngắt điện điện bán dẫn một chiều khi lý tưởng

hóa

Hình II.2.7: Ký hiệu của các linh kiện hay gặp của họ Thyristor

a DARLISTOR: Là loại SCR có cấu tạo nối tầng (cascade) để tăng hệ số

ngàn ampe) Lúc đó, dòng kích vẫn ở vài ampe Darlistor là tên thương mại, nhái theo transistor nối tầng là Darlington transistor Một sôùù nhà sản xuất vẫn dùng tên SCR hay Thyristor, nhưng chú thích là cực cổng được khuếch đại (Amplified gate thyrirstor) Sơ đồ nguyên lý Darlistor cho ở hình II.2.7

b TRIAC: Là linh kiẹân phổ biến thứ hai của họ thyristor sau SCR, có mạch tương đương là hai SCR song song ngược, được chế tạo với dòng định mức đến hàng ngàn ampe Mạch tương đương hai SCR song song ngược hoàn toàn tương thích vơi TRIAC khi khảo sát lý thuyết, nên

chúng thường được dùng

thay thế cho nhau trong

các sơ đồ nguyên lý mặc

dù trong thực tế chúng có

nhiều tính chất khác nhau

TRIAC có khả năng khóa

theo hai chiều, trở nên dẫn

điện khi có dòng kích và

tự giữ trạng thái dẫn cho

đến

Hình II.2.8 Đặc tuyến V – I của TRIAC và DIAC

Khi dòng qua nó giảm về không

(Hình II.2.8) TRIAC có thể điều

khiển bằng dòng G – T1 ( còn gọi

là MT1) cả hai cực tính và ở hai

chiều dòng điện tải làm sơ đồ điều

khiển đơn giản hơn mạch tương

đương hai SCR rất nhiều

Nhược điểm rất quan trọng

của TRIAC là dễ bị tự kích ở nhiệt

độ mối nối cao và có giới hạn dv/dt

rất thấp, khó làm việc với tải có

tính cảm Lúc đó, người ta vẫn phải

dùng hai SCR song

Hình II.2.9: Hình dạng bên ngoài của một số TRIAC (SCR cũng tương tự )

song ngược

c DIAC: Có nguyên tắc hoạt động tương tự như TRIAC nhưng không có cực cổng G, ngưỡng điện áp gãy rất thấp - thường là 24 V, được dùng trong các mạch phát xung và kích thyristor với dòng xung một vàiû ampe

d LA SCR ( Light – activated – SCR ): SCR kích bằng tia sáng

Có nguyên tắc làm việc như SCR nhưng được kích bằng dòng quang điện

Thay vì cung cấp dòng cực cổng để kích khởi, người ta rọi sáng LA SCR qua cửa sổ hay ống dẫn sợi quang LASCR rất thích hơp cho các ứng dụng cao áp, khi cách điện giứa mạch kích và động lực trở nên vấn đề phức tạp, giải quyết tốn kém

e GTO: ( Gate turn off SCR, SCR tắt bằng cực cổng )

Với khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện, SCR không thể tự tắt ở nguồn một chiều nếu mạch không có sơ đồ đặc biệt để dòng qua nó giảm về không GTO cho phép ngắt SCR bằng xung âm ở cực cổng Từ mạch tương đương hai BJT (hình 1.2a), khả năng này có thể được dự đoán Nhưng trong thực tế, SCR không thể tắt bằng cổng vì cực cổng chỉ mồi cho quá trình dẫn, sau đó không còn tác dụng

GTO có cấu tạo khác hơn, cho phép kiểm tra kênh dẫn điện của SCR từ cực cổng Giá phải trả là hệ số khuếch đại dòng khi kích giảm xuống, còn khá bé - khoảng vài chục Hệ số huếch đại dòng khi tắt xấp xỉ mười Người ta chế tạo được GTO có dòng định mức đến hàng ngàn ampe

II.3 TRANSISTOR CÔNG SUẤT:

Là đại diện cho ngắt điện bán dẫn có thể làm v iệc với nguồn một chiều, được điều khiển bằng dòng cực B nếu là BJT hay áp cực cổng G nếu là MosFET hay IGBT

Giống như Thyristor, mặt nạ để gia công transistor công suất cũng có dạng phức tạp để các cực điều khiển kiểm soát được toàn bộ kênh dẫn điện và làm cho linh kiện chuyển trạng thái nhanh (hình II.3.1)

Hình II.3.1: Cấu tạo của BJT công suất: Cực B phân bố đều trên toàn bộ diện tích, cung cấp khả năng điều khiển hiệu quả hơn

1 Transistor công suất:

Hình II.3.1: Ký hiệu các transistor

Là nhóm ngắt điện bán dẫn cho phép đóng và ngắt theo tín hiệu điều khiển, gồm có:- BJT: điều khiển bằng dòng cực B

- IB = 0 => BJT khóa, không dẫn điện

- IB đủ lớn (IB > IC / β) BJT bảo hòa, dẫn dòng tải IC chỉ phụ thuộc mạch tải

Với dòng tải lớn, để giảm dòng điều khiển, các nhà sản xuất chế tạo các transistor Darlington với hệ số khuếch đại dòng β từ vài trăm đến vài nghìn

- MosFET: là transistor trường có cực cổng cách điện, loại tăng (enhancement) MosFET là transistor điều khiển bằng áp VGS

- VGS ≤ 0 : transistor khóa

- VGS > VTH : transistor dẫn điện (VTH từ 3 5 volt)

- IGBT (Insulated Gate BJT): Công nghệ chế tạo MosFET không cho phép tạo ra các linh kiện có định mức dòng lớn, IGBT có thể xem là sự kết hợp giữa MosFET ở ngỏ vào và BJT ở ngỏ ra để có được linh kiện đóng ngắt dòng DC đến hàng nghìn Ampe điều khiển bằng áp cực G Cũng như thyristor, transistor cần có mạch lái, là phần tử trung gian giữa mạch điều khiển và ngắt điện, có các nhiệm vụ:

- Đảm bảo dạng và trị số dòng cực B cho BJT (áp cực cổng G đ/v MosFET) để các linh kiện này bảo hòa

- Cách ly điện mạch điều khiển – công suất theo yêu cầu của sơ đồ động lực (nếu có), tăng khả năng an toàn cho người vận hành, tránh nhiễu cho mạch điều khiển

Nguyên lý điều khiển IGBT giống

như MosFET

VCC VCC

C i C

i

CE v CE

v

Q

R1 R2 VBB

a Quá trình đóng ngắt của BJT:

Quan sát quá trình đóng ngắt của BJT với tải R và RL như sơ đồ trên hình

II.3.2 và các dạng sóng trên hình II.3.3.a và b, ta có những nhận xét sau:

- Khi đóng (chuyển từ khóa sang bảo hòa) BJT mất thời gian tON có trị số

khoảng 1 micro giây, và thời gian tOFF có trị số vài micro giây để khóa (hình II.3.3.a)

- Quá trình chuyển trạng thái không xảy ra tức thời, có thời gian để áp vCE và

iC thay đổi trị số Khi tải trở: vCE = VCC – Rt iC : áp CE của BJT tăng dần theo quá trình giảm của iC

Như vậy có thời gian, dù rất bé, BJT chịu dòng lớn và áp cao, dẫn đến tổn hao trong BJT khi đóng ngắt Ví dụ khi áp trên BJT bằng 200 volt và dòng 20 ampe, công suất tức thời trên mối nối CE lúc đó là 200*20 = 4000 watt so với vài chục watt khi dẫn bảo hòa

Hiện tượng này đặc biệt nghiêm trọng khi

tải có diod phóng điện: dòng qua tải cuộn dây

không thay đổi tức thời trong khi diod phóng điện

chỉ có thể dẫn điện khi BJT tắt hẵn, mối nối CE sẽ

chịu nguyên dòng tải cho đến khi vCE = VCC Như

vậy tổn hao trong quá trìng đóng ngắt sẽ tăng cao

[dạng dòng áp trên hình II.3.3.b]

Các kết luận:

* Để làm nhanh quá trình chuyển mạch, nhờ đó tăng tần số làm việc và giảm

tổn hao năng lượng, cần có mạch lái hiệu quả với các khả năng sau:

- Giảm tON bằng cách cưỡng bức dòng cực nền cho BJT

- Giảm tOFF khi không cho BJT bảo hòa sâu bằng cách giữ vCE không quá bé,

nạp khi BJT dẫn điện

b Vùng hoạt động an

toàn của BJT (Safe

Operating Area) (hình II.3.5

):

Là vùng chứa các

điểm (IC, VCE ) của BJT khi

làm việc mà không bị hỏng,

giới hạn bởi:

- các giá trị cực đại

VCEmax, ICmax

- Gảy (mối nối) thứ

cấp (second breakdown), là

trường hợp BJT bị hư hỏng

do phát nóng cục bộ làm

tăng dòng IC trong khi áp vẫn

cao, phân biệt với gảy sơ cấp

(primary) khi phân cực

ngược Hiện tượng này là kết

quả của nhiều nguyên nhân,

b Mạch lái MOSFET công suất:

MosFET công suất có các ưu điểm: tần

số làm việc cao hơn vì kênh dẫn điện không

có mối nối, mạch lái đơn giản hơn vì điều

khiển bằng áp - không cần công suất – có thể

kéo thẳng từ các vi mạch cấp điện 12 volt (ví

dụ khuếch đại thuật toán hay CMOS) khi

không cần tần số đóng ngắt cao Để đạt tần số

đóng ngắt lớn, mạch lái cần cung cấp dòng

nạp khi

GS

D

0 15volt

C4 330p Dz7v2

R11 510/3W 22K

D4 47

Hình II.3.6: Mạch lái MOSFET 5 – 7 A làm việc ở BBĐ Flyback 50 kHz

mở MOSFET và tiêu tán điện tích cho các tụ điện mối nối khi tắt Như vậy các mạch lái MOSFET cũng có yêu cầu tương tự như mạch lái BJT nhưng chỉ có dòng trong chế độ quá độ và áp làm việc cao (0 10 volt hay ± 10 volt).Các hãng chế tạo

bán dẫn công suất đã chế tạo những module bao gồm linh kiện công suất, mạch lái và bảo vệ làm công việc của nhà thiết kế trở nên đơn giản

II.4 CÁC LINH KIỆN CÔNG SUẤT MỚI:

Hình II.4.1 - II.4.3 lấy từ sách Power Electronics … của M.H Rashid cho ta cái nhìn khá toàn diện về các loại linh kiện ĐTCS hiện nay

Nhìn chung, theo cấu tạo chúng vẫn thuộc hai họ Thyristor và Transistor Về hoạt động, chúng đóng vai trò của SCR (chỉ kích dẫn) hay ngắt điện bán dẫn một chiều (khi có thể điều khiển khóa) Hình II.4.3 trình bày ký hiệu cùng với mô tả sơ lược hoạt động, hình II.4.1 phân loại theo đặc tính Có thể thấy là các linh kiện mới bổ sung công nghệ MOS vào bán dẫn công cuất để:

- Cải thiện tốc độ đóng ngắt, nâng cao khả năng chịu dòng, áp ví dụ như IGBT có đặc tính tốt của BJT và MOSFET

- Cung cấp và cải thiện đặc tính kích ngắt cho họ Thyristor, ví dụ như GTO, SITH, MCT

Với lưu ý các tính chất của một linh kiện nằm trong nhiều mục khác nhau, ta có thể suy ra đặc tính cơ bản của nó

Hình II.4.1: So sánh đặc tính các linh kiện công suất mới

Hình II.4.2: Phạm vi ứng dụng hiện tại và triễn vọng của các linh kiện công suất mới

Hình II.4.3: Tóm tắt đặc tính các linh kiện công suất mới

II.5 ĐẶC TÍNH NHIỆT:

4 Đặc tính nhiệt:

Các linh kiện công suất khi làm việc đều

tiêu tán năng lượng và phát nóng, sẽ hư hỏng khi

nhiệt độ lớn hơn giá trị cho phép Mục đích của

tính toán nhiệt là kiểm tra nhiệt độ mối nối θJ của

miếng tinh thể bán dẫn phải bé hơn giá trị cho

phép θJmax, có trị số từ 150 200 O C

Việc giải bài toán này bao gồm :

- Tính công suất tiêu tán trung bình trong

chu kỳ T: Δ = ∫

Tv t i t dt

P ( ) ( ) ; trong đoÙ v(t), i(t) là giá trị tức thời dòng, áp qua ngắt điện Có thể

tra Δ P trong tài liệu của nhà sản xuất, theo hai

thông số: trị số trung bình và dạng của dòng điện

hay có thể tích phân trực tiếp

Hình 2.5.1 Cách lắp linh kiện công suất vỏ TO 220AB vào tản nhiệt

- Tính toán truyền nhiệt từ tinh thể bán dẫn ra môi trưòng xung quanh:

mối nối Ỉ vỏ S Ỉ tản nhiệt Ỉ môi trường

Bài toán này có thể được đơn giản hóa khi cho rằng trong chêù độ xác lập, chênh lệch nhiệt độ trên đường truyền θ1 , θ2 tỉ lệ với công suất tiêu tán Δ P và thông số đặc trưng của môi trường truyền – gọi là điện trở nhiệt R12 :

12 2

1− θ = Δ P ⋅ R

θ <1.5> Áp dụng vào tính toán tản nhiệt cho bán dẫn công suất:

) R R

R (

A

+ RJC: thể hiện khả năng tản nhiệt của linh kiện, cung cấp bởi nhà sản xuất, được cung cấp trực tiếp hay thông qua công suất định mức Δ P (ký hiệu Pdiss

trong các tài liệu tiếng Anh), xác định bằng nhiệt độ mối nối cho phép θJmax và nhiệt độ vỏ bằng giá trị môi trường qui định, là θA = 25 OC Kết quả là:

Pdiss RJC = θJmax – 25 OC + RCH: điện trở nhiệt khi truyền từ vỏ của linh kiện qua tản nhiệt, giảm khi áp lực tiếp xúc, độ nhẵn bề mặt tăng Người ta còn có lớp đệm bằng cao su đặc biệt vừa làm cách điện và tăng tiếp xúc, hay dùng keo ( paste ) silicon làm kín các khe hở giữa hai bề mặt khi sử dụng mica làm tấm đệm

+ RHA: điện trở nhiệt khi truyền từ tản nhiệt ra môi trường xung quanh,

là bộ phận chủ yếu cho tản nhiệt hệ thống, tỉ lệ nghịch với diện tích tản nhiệt Có thể giảm RHA khi làm đen bề mặt (tăng khả năng bức xạ nhiệt), hay dùng quạt để tản nhiệt cưỡng bức Ở các hệ thống công suất rất lớn, có thể làm mát bằng cách bôm nước qua tản nhiệt để giảm kích thước bộ tản nhiệt, tránh choán chỗ

Để ý là khi không sử dụng tản nhiệt, điện trở nhiệt từ vỏ linh kiện công suất

ra môi trường rất lớn, vì diện tích tiếp xúc với không khí của linh kiện rất bé, dẫn đến khả năng tiêu tán công suất lúc này rất bé so với giá trị định mức

Tính toán nhiệt như mô tả ở trên thường được dùng cho bài toán kiểm tra, khi chọn sơ bộ có thể sử dụng các giá trị trung bình hay hiệu dụng của dòng điện như sau:

Dòng làm việc trung bình IO < Giá trị trung bình định mức IAVE hay

Dòng làm việc hiệu dụng IR < Giá trị hiệu dụng định mức IRMS

Ở Thytristor, quan hệ giữa hai giá trị này là :

IRMS = 1.57 IAVE

do dạng dòng qui định khi tính toán định mức cho diode và SCR là chỉnh lưu bán sóng Hệ số an toán dòng thường chọn từ 1.2 đến 2 lần Việc tính chọn theo hiệu dụng thường cho kết quả phù hợp hơn vì dạng dòng mạch điện tử công suất thường là dạng xung

Sau khi chọn giá trị định mức, khi thi công cần phải thể kiểm tra nhiệt độ vỏ linh kiện bán dẫn, không được vượt quá 65 70 OC

Ở linh kiện công suất có thể gắn mạch in (dòng bé, > vài chục A) ta có thể gặp giá trị cực đại liên tục Khi đó, ta chọn theo giá trị cực đại làm việc, với hệ số

an toàn từ 2 đến 3 lần

II.6 BẢO VỆ BỘ BIẾN ĐỔI VÀ NGẮT ĐIỆN BÁN DẪN:

1.Bảo vệ dòng:

+ Bảo vệ dòng cực đại ( ngắn mạch – quá dòng tức thời):

Cầu chì tác động nhanh và ∫Ti2dt

CB ( ngắt mạch tự động – Aptomat ) + Bảo vệ quá tải ( quá dòng có thời gian ):

CB ( ngắt mạch tự động – Aptomat )

Mạch hạn dòng của bộ điều khiển vòng kín

2 Bảo vệ áp: (quá áp dạng xung)

Hình 2.6.1

RC nối tiếp mắc song song (1), Varistor là loại điện trở giảm nhanh khi áp lớn hơn trị số ngưỡng (2) và các bộ lọc nguồn(3) gồm mắc lọc LC hình π

Snubber song song ngắt điện

II.7 TÓM TẮT CÁC Ý CHÍNH:

Sau khi học chương 2, cần nắm vững các nội dung sau:

- Nguyên lý hoạt động và các đặc tính của các ngắt điện điện tử, so sánh với các linh kiện lý tưởng của chương 1

- Cách lựa chọn định mức dòng áp linh kiện công suất cho một một mạch cụ thể

- Nguyên lý điều khiển các ngắt điện

Bài tập:

1 Chứng minh quan hệ <1.7> giữa định mức dòng trung bình và hiệu dụng của

Thyristor (mục I.3.4.4): IRMS = 1.57 IAVE

2 Vẽ dạng dòng, áp ra và tính trị trung bình dòng qua mạch nạp accu hình trên, với

( ) 12 2 sin(100 )

e t = πt , xem diod không có sụt áp thuận

3 Các câu hỏi kiểm tra:

b Theo bạn, đặc tính của rơ le bảo vệ quá tải sẽ tính bằng giá trị hiệu dụng hay trung bình?

c Mô tả nguyên lý hoạt động của SCR

d Mô tả nguyên lý hoạt động của TRIAC theo bạn, dòng cực cổng (không dấu) sẽ bé và lớn nhất trong trường hợp nào của 4 chế độ làm việc sau:

I: IA > 0, IG > 0 II: IA > 0, IG < 0, III: IA < 0, IG < 0 IV: IA < 0 IG > 0

e Trình bày đặc tính volt – ampe của SCR và các thông số liên quan

f Tóm tắt các bảo vệ cho SCR hay Thyristor nói chung

PHỤ LỤC CHƯƠNG 1

A HÌNH DẠNG BÊN NGOÀI MỘT SỐ SCR:

B ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CHI TIẾT CỦA SCR:

Các datasheet sau cho ta đặc tính kỹ thuật chi tiết của 2 SCR, một có dạng boulon và một có dạng domino (mô đun ADD A-PAK) của hãng International Rectifier (IR)

Chương 3 ĐiỀU KHIỂN CÔNG SUẤT XOAY CHIỀU

III.1 THYRISTOR LÀ PHẦN TỬ ĐÓNG NGẮT MẠCH ĐIỆN AC:

Thí nghiệm: Lập mạch điện như hình 3.1.1

Khi cung cấp dòng cực cổng đủ lớn, TRIAC sẽ dẫn điện (ON) Với tải R, dòng qua tải cùng dạng với áp Khi áp nguồn qua zero ở cuối bán kỳ, TRIAC sẽ tắt nếu dòng qua cực cổng G không còn Trên hình 3.1.2.a, Khoảng TRIAC ON được tô đậm, khoảng không được tô tương ứng với TRIAC không dẫn điện (OF`) khi dòng cực cổng bị ngắt

Vậy TRIAC là phần tử có thể đóng ngắt ở điện AC, nó ON khi được kích và OFF khi mất dòng cực G Để ý TRIAC không ngắt khi mất dòng kích cho đến khi dòng qua nó về không (với tải R là ở cuối bán kỳ) Điều này cũng sẽ không xảy ra khi nguồn là một chiều, dòng qua thyristor không thể về không

Khi thay TRIAC bằng SCR, ta có cùng kết quả nhưng SCR chỉ dẫn điện bán kỳ

T

Điềukhiển

Hình 3.1.2: Dạng áp ra điều khiển ON – OFF (a),

có đóng ngắt lúc áp qua zero (b)

- Điều khiển ON-OFF có thể điều

khiển dòng năng lượng cung cấp nhưng

không thể thay đổi điện áp cung cấp cho tải

Để điều khiển áp ra, ta có thể thay

đổi thời điểm (pha) kích SCR trong mỗi chu

kỳ <=> khoảng dẫn điện của SCR trong chu

kỳthay đổi => áp ra được thay đổi như hình

Phương pháp này gọi là điều khiển pha, là một nội dung rất quan trọng củaĐTCS, sẽ được khảo sát ở cuối chương và còn tiếp tục ở chương chỉnh lưu

III.2 CÁC SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC:

a Sơ đồ một pha:

- Dùng TriAC, hai SCR // ngược

- Các sơ đồ SCR +Diod (hình III.2.1 a và b)

Tải

Điều khiển

x x x

Điều khiển

D1 D2

SCR1 SCR2

L1 SCR1

L2 SCR2

Hình 3.2.2: ĐK công suất xoay chiều, sơ đồ ba pha

II.3 ĐIỀU KHIỂN ON – OFF:

1 Nguyên lý điều khiển công suất: thay đổi tỉ lệ tON/ T (độ rộng xung tương đối) của quá trình đóng ngắt

Có thể chứng minh dể dàng là công suất trung bình của tải:

PO = PMAX tON/T

PMAX: Công suất nhận được khi nối trực tiếp vào lưới

tON: Thời gian thyristor ON T: Chu kỳ đóng ngắt

2 Đóng ngắt lúc áp qua điểm

không (zero switching):

a Nguyên lý: Thyristor chỉ đóng

mạch khi áp nguồn qua zero

Khi đó, áp trên tải chỉ có thể là số

nguyên bán kỳ lưới Dòng qua tải tăng

lên từ zero ngay cả khi tải R Hình 3.3.1: sơ đồ ĐK zero switching

b Lợi ích của zero switching:

Tránh được khả năng phát xạ nhiễu vô tuyến hay nhiễu lan truyền trên dây nguồn khi dòng tải bị tăng đột ngột lúc Thyristor bắt đầu dẫn với tải R

c Mạch điều khiển zero switching:

Nguyên lý của zero switching là chỉ kích thyristor khi áp nguồn qua zero (hình 3.3.1) Hình 3.3.2 phát xung khi áp nguồn qua zero nên được gọi là mạch khám phá zero (zero detector) Xung zero (ZD) này phải qua cổng AND kiểm soát bằng tín hiệu điều khiển ĐK

Hình 3.3.2 : sơ đồ khám phá điểm không a và

b, c là dạng áp ra hình b

(c)

Mạch khám phá zero còn đóng vai trò rất quan trọng trong những mạch điều khiển làm việc với lưới điện xoay chiều

3 Ứng dụng ĐK ON - OFF:

Nguyên tắc chung: Thyristor thay thế ngắt điện cơ khí để đóng ngắt tải AC với nhiều ưu

điểm, được gọi là Rơ le, contactor bán dẫn SSR ( solid state relay )

OutIn

Điềukhiển

(a)

(b)

OutIn

SCR2

D2

SCR1 0.1u 33

Hình 3.3.3: Sơ đồ rơ le bán dẫn

- Sơ đồ khối tổng quát (hình 3.3.3.a): Ngỏ vào của SSL nối bộ điều khiển TRIAC qua bộ cách ly Optron Khi diod phát quang của Optron có dòng, transistor ngỏ ra sẽ bảo hòa, tác động lên mạch Điều khiển cung cấp dòng kích cho TRIAC

- Mạch điện đk ON – OFF tải dùng SCR và tiếp điểm cơ khí (relay) (hình 3.3.3.b)

Hình 3.3.5: Sơ đồ rơ le bán dẫn dùng OPTRON TRIAC

Hìn 3.3.4 và 3.3.5 hướng dẫn cách sử dụng Optron TRIAC để điều khiển ON-OFF

Ưu điểm: SSR không tạo ra tia lửa điện khi đóng ngắt, số lần và tần số đóng ngắt cho phép rất cao, công suất điều khiển rất bé - có thể tác động trực tiếp từ mạch vi điện tử, có thể tích hợp với các bộ điều khiển điện tử khác để được nhiều tính năng mới

Nhược điểm: Là các nhược điểm của thiết bị điện tử: khả năng quá tải kém, hỏng không phục hồi được, nhạy với nhiễu, nhiệt …

Rơ le, contactor bán dẫn thường được dùng thay thế rơ le, contactor cơ khí khi cần số lần đóng ngắt lớn, mạch cấp điện cho biến áp máy hàn điện trở (hàn tiếp xúc), điều khiển lò điện hay tác động nhanh (như ổn áp xoay chiều hay UPS) …

III.4 ĐIỀU KHIỂN PHA ÁP XOAY CHIỀU:

Điều khiển pha ( ĐKP ): là phương pháp thay đổi điện áp ra trong hệ thống có nguồn hình sin bằng cách sử dụng xung kích cổng các thyristor có cùng tần số nhưng góc lệch pha thay đổi so với hình sin lưới Như vậy thyristor dẫn một phần chu kỳ lưới, điểm bắt đầu dẫn của thyristor sẽ thay đổi theo góc điều khiển, nhưng thyristor chỉ trở về trạng thái khóa khi dòng điện về không

Hình 3.4.1: Sơ đồ và dạng áp ra sơ đồ điều khiển pha tải thuần trở

Thông số căn bản của ĐKP là góc điều khiển pha (ĐKP) α − còn gọi là góc thông chậm

(angle of retard, delayed angle), được tính từ vị trí tương ứng với α = 0 gọi là góc chuyển mạch tự nhiên hay không có điều khiển Góc chuyển mạch tự nhiên này là điểm thyristor bắt đầu dẫn điện khi ta cung cấp dòng cực cổng liên tục và tải là thuần trở, tương ứng với trường hợp thay thế thyristor bằng diode Có thể dể dàng thấy là khi α = 0, áp ra sẽ cực đại

Thông số khác của sơ đồ điều khiển là bề rộng xung kích thyristor phải đảm bảo phạm vi thay đổi góc ĐKP rộng nhất, từ giá trị áp ra tối thiểu ( thường bằng 0 ) tương ứng α = αMAX đến tối đa α = 0 ( HT không điều khiển )

2 Khảo sát sơ đồ một pha:

a Tải điện trở: ( Hình 3.4.1 )

Gọi áp nguồn v = V 2 sin ω t < 3.4.1 >

với V , ω : trị số hiệu dụng và tần số góc áp nguồn

Tại wt = 0, đóng nguồn T không dẫn nên dòng tải i O = 0

=> áp ra v O = 0, áp trên TRIAC vT = v – vO = v > 0 Thyristor phân cực thuận

Tại wt = α , có dòng kích i G và v T > 0 => T dẫn điện, ta có:

vT = 0, vO = v => iO = v/R có dạng hình sin như điện áp

Tại wt = π , v O = 0, i O = 0 => T tắt

Trong bán kỳ âm, dạng áp dòng được lập lai, nhưng với giá trị ngược lại (hình 3.4.1.(b))

- Trị hiệu dụng áp trên tải:

=ωω

=

πα

π ∫

211

21

R

V R

v dt

i v

Biểu thức này vẫn giống như trường hợp nguồn hình sin vì do tải thuần trở, dạng dòng áp trên tải vẫn giống nhau

- Có thể chứng minh dễ dàng là HSCS của mạch < 1 do dòng qua nguồn không hình sin

Bài tập: Tìm biểu thức tổng quát của HSCS khi điều khiển pha áp AC tải R

Ví dụ: Tìm góc ĐKP α để công suất ra bằng ½ công suất cực đại ( khi đóng trực tiếp vào nguồn)

Giải: Giải trực tiếp bài toán ngược suy từ phương trình <3.4.3> không thực hiện được, từ

dt R

v

21

2

212

=> Ta cần có tích phân của bình phương áp ra v O bằng ½ tích phân của bình phương áp nguồn v , do tính đối xứng của hình sin, suy ra α = 90 O Có thể kiểm tra lại bằng tính toán theo

< 3.4.3 > và < 3.4.4 >, trường hợp này áp ra v O có trị hiệu dụng là V / 2

b Tải RL:

Khảo sát tương tự trường hợp tải điện trở :

Tại wt = 0, đóng nguồn TRIAC T không dẫn nên dòng tải iO = 0

=> áp ra v O = 0, áp trên T là vT = v – vO = v > 0 Thyristor phân cực thuận

Hình 3.4.2 Sơ đồ và dạng áp ra sơ đồ điều khiển pha tải cảm kháng

Tại wt = α , có dòng kích i G và v T > 0

dt

di L i R

L R

Z )

t sin(

Z

V

i o1 = 2 ω −φ vớitổngtrởtải = 2 + ω 2và góc pha φ = −1

* iO2 là thành phần quá độ, là nghiệm của pt không vế hai:

dt

di L i

=

R L Ae

i o2 = −tτ vớithời hằngτ= , Hằng số tích phân A xác định từ điều kiện ban đầu

τ

⋅ωα

−

+φ

−α

−α

−φ

−ω

Các thành phần dòng điện iO được vẽ trên

hình 2.13 cho một bán kỳ

Khi wt = α + γ dòng về không: iO = 0 suy ra

0

=

⋅φ

−α

−φ

⋅ ω γ

−

⋅ φ

− α

= φ

gạch sọc thẳng đứng trên, v R là phần có chấm ở hình 3.4.3

Trong bán kỳ âm, dạng áp dòng được lập lai, nhưng với giá trị ngược lại ( hình 3.4.3) Trị hiệu dụng áp ra:

( [sin 2 sin 2 ( )] )

V

t d ) t sin 2 V ( dt

v V

2 1 1

2 1

T

2 o

T 1 oR

γ α α

γ

ω ω

π

γααπ

+

− +

Các nhận xét:

* Áp ra bằng không khi α = αMAX = 180 O

* Góc α tối thiểu với tải RL ( phạm vi điều chỉnh góc điều khiển pha tải RL ) bằng φ Khi

α giảm, góc dẫn γ tăng Khi γ = 180 O , xung dòng bán kỳ dương nối liền xung dòng của bán kỳ

âm ( dòng điện là liên tục ), áp ra v O đạt cực đại và bằng áp vào v, dòng ra hình sin tương ứng góc

điều khiển pha là cực tiểu ( để còn có thể điều khiển ) - giá trị này bằng φ Có thể thế vào <2.11> để kiểm tra Khi kích các thyristor với xung có α < φ vớiù dạng thích hợp ( xung rộng), áp ra không thay đổi – hệ thống không còn điều khiển được khi α > φ

* Yêu cầu kích xung rộng: Khi điều khiển pha áp xoay chiều, xung kích các thyristor cần là xung rộng để đảm bảo mạch làm việc bình thường khi α < φ Đối với sơ đồ một pha, người ta

thường dùng xung có bề rộng ( π − α ) tương ứng xung bắt đầu ở wt = α và chấm dứt ở wt = π ở

chu kỳ đầu Để chứng tỏ sự cần thiết này, ta quan sát hình 2.14 mô tả quá trình quá độ bộ ĐKP áp xoay chiều một pha tải RL kích bằng xung rộng khi góc ĐKP α < φ

Hình 3.4.4: Quá trình quá độ bộ ĐKP áp xoay chiều một pha

Ở bán kỳ đầu tiên, T1 sẽ dẫn điện ngay khi được kích Do α < φ, góc dẫn γ của T1 lớn hơn

π và đến bán kỳ thứ hai, khi T2 có xung cực cổng, T1 vẫn còn dẫn, nên T2 vẫn bị đặt áp âm và

T2 sẽ dẫn điện ngay khi dòng T1 về không ( T1 tắt ) Aùp ra v O vẫn bằng áp nguồn v là giá trị lớn

nhất có thể có Như vậy có thể xem T2 được kích với góc ĐKP lớn hơn giá trị α của mạch điều khiển cung cấp nhưng vẫn lớn hơn φ và góc dẫn γ của nó tiếp tục lớn hơn π Mọi việc xảy ra

tương tự ở các bán kỳ sau Để ý là dù các góc dẫn thay đổi, chúng luôn lớn hơn π và áp ra v O vẫn

bằng áp nguồn v Quá trình quá độ này sẽ chấm dứt khi dòng trở thành hình sin và lệch pha với

áp góc φ Nếu xung kích các thyristor không kéo dài, T2 sẽ không thể dẫn điện khi T1 tắt Ởû bán kỳ thứ 3, T1 lại dẫn và đến bán kỳ thứ 4, T2 cũng không thể làm việc như ta mong muốn

3 Sơ đồ ba pha:

Trong công nghiệp, để cung cấp

được công suất lớn cũng như đảm bảo sự

cân bằng của lưới điện, người ta dùng các

sơ đồ ba pha Sơ đồ hình 3.2.2.(b) dùng ba

TRIAC cho tải trở hay ba cặp SCR song

song ngược là các sơ đồ cho ra áp dòng cân

bằng, dùng được cho điều khiển pha tải

điện xoay chiều

Trong một số trường hợp người ta

còn dùng cách nối ba mạch một pha độc lập

như hình 3.4.5 vì lý do đơn giản Lúc này

mỗi pha tải và thyristor điều khiển nối vào

áp dây, các pha không ảnh hưởng lẫn nhau, tính toán như mạch một pha

Hoạt động của mạch ba pha hình 3.2.2.(b) với tải R hay RL hoàn toàn tương tự như sơ đồ một pha nhưng việc khảo sát phức tạp hơn vì các pha có mối liên quan với nhau

Có 2 trường hợp (mô tả với tải nối Y):

- Chỉ có hai nhánh SCR dẫn điện: áp pha có dòng tải bằng ½ áp dây tương ứng, áp pha

không có dòng bằng 0

- Cả ba nhánh SCR dẫn điện: áp pha tải bằng áp pha nguồn

Hình 3.4.5b: Dạng áp ra (áp dây) mạch điều khiển pha áp xoay chiều, sơ đồ 3 pha hình 2.5b tải thuần trở

Việc SCR chỉ ngắt khi dòng qua nó bằng không đã làm việc khảo sát giải tích BBĐ ba pha tải RL không thể thực hiện được, chỉ có thể mô phỏng trên máy tính hay qua thí nghiệm Như vậy, việc tính toán cũng dựa vào các đồ thị hay chương trình máy tính

Kết quả khảo sát cũng hoàn toàn tương tự: Khi tăng góc điều khiển pha, áp ra giảm lần Góc dẫn của các thyristor cũng phụ thuộc vào tính chất của tải Có thể chứng minh dể dàng là với tải RL, khi α nhỏ hơn φ ta cũng hết điều khiển được áp ra vì lúc đó các thyristor luôn luôn dẫn Áp ra bằng áp lưới

4 Ứng dụng điều khiển pha áp xoay chiều:

a Điều chỉnh độ sáng đèn có tim, ổn áp xoay

chiều dùng thyristor::

b Điều chỉnh áp đầu vào của biến áp dùng cho

các ứng dụng giảm hay tăng áp:

Trong công nghiệp có nhiều ứng dụng sử dụng

áp lưới qua biến áp có nhu cầu thay đổi áp ra, một

chiều hay xoay chiều ví dụ như hàn hồ quang (dùng

với tải xoay chiều hay một chiều ), các bộ nguồn cho

xi mạ, điện phân ( áp thấp dòng lớn ), các bộ nguồn

cho thiết bị lọc tỉnh điện ( áp cao dòng nhỏ ) …

Việc sử dụng bộ điều khiển áp xoay chiều bán

dẫn sẽ làm tăng tính kinh tế cho thiết kế

2k2

220VAC

Hình 2.16 Bộ Light dimmer dùng TRIAC

c Trong điều khiển động cơ

không đồng bộ:

Có hai ứng dụng quan trọng:

khởi động động cơ và điều chỉnh tốc

độ

- Điều khiển tốc độ động cơ

không đồng bộ: Có tác dụng rất giới

hạn

- Khởi động động cơ không

đồng bộ: Đây là ứng dụng rất có giá

trị của điều khiển pha áp xoay chiều

ĐCơ KĐB

BỘ ĐIỀU KHIỂN

Khi đóng trực tiếp vào lưới điện, dòng khởi động động cơ không đồng bộ rất lớn, từ 5 đến

7 lần dòng định mức Điều này gây ảnh hưởng đến các thiết bị dùng điện khác, nhất là khi công suất lưới bị giới hạn hay ở cuối đường dây có sụt áp lớn Việc dùng bộ điều khiển áp xoay chiều dùng SCR tăng dần áp đặt vào động cơ sẽ làm giảm dòng khởi động xuống còn từ 1.5 dến 3 lần dòng định mức, phụ thuộc vào chế độ tải Có thể phản hồi dòng điện qua động cơ về bộ điều khiển để kiểm soát chính xác dòng khởi động, góc kích các thyristor chỉ được phép giảm (làm tăng áp ra) khi dòng qua động cơ bé hơn giá trị cho phép Khi áp đặt vào động cơ đạt giá trị định mức, có thể dùng công tắc tơ cơ khí để ngắn mạch, loại bỏ bộ khởi động nếu muốn

Một khả năng khác của thiết bị này là ta có thể tăng dần áp đặt vào động cơ với độ dốc thay đổi và tốc độ động cơ cũng tăng dần theo áp,và đây chính là lý do phương pháp này có tên thương mại là soft start Nhờ đó có thể thay đổi thời gian khởi động, từ 1 giây đến 10 giây hay hơn

ở một số trường hợp đặc biệt Như vậy gia tốc khi khởi động được kiểm soát, đây là yêu cầu để khởi động các truyền động cung cấp cơ năng cho một số dạng tải, ví dụ các máy móc liên quan đến cuốn hay kéo các sản phẩm dạng băng − rất hay gặp trong công nghiệp dệt, giấy, in, … hay trong công nghiệp nặng với các máy móc có quán tính lớn

III.5 TÓM TẮT CÁC Ý CHÍNH:

Sau khi học chương ba, ta cần nắm được cách sử dụng thyristor (SCR và TRIAC) để điều khiển các tải AC dùng điện lưới, bao gồm:

- Đóng ngắt mạch điện thay các thiết bị cơ khí quen thuộc Các rơle contactor bán dẫn mở

ra những khả năng mới, trong đó khả năng đóng ngắt khi áp qua zero rất đáng chú ý

- Điều khiển pha áp xoay chiều Bằng cách thay đổi (làm chậm) pha của xung kích các

thyristor, áp ra của bộ biến đổi được điều khiển (giảm) Các đặc điểm cần chú ý la:ø áp ra sẽ thay đổi theo đặc tính của tải do thyristor chỉ tự tắt khi dòng giảm về không; áp ra không hình sin dẫn đến việc tính toán dòng áp ngỏ ra rất phức tạp Dù điều khiển pha áp xoay chiều có một số ứng dụng đáng chú ý, việc khảo sát trong chương ba chỉ nhằm mục đích làm quen, dẫn nhập vào chỉnh lưu điều khiển pha (chương ba) là một trọng tâm của giáo trình

BÀI TẬP & CÂU HỎI :

1 Nguyên tắc điều rộng xung để điều khiển công suất lò điện Chu kỳ điều rộng có thể chọn là bao nhiêu khi sử dụng phần tử đóng ngắt là TRIAC hay contactor bán dẫn

2 Nguyên lý zero switching, ưu điểm của nó khi đóng ngắt tải R

3 Vẽ dạng áp ra của sơ đồ chỉnh lưu bán sóng (chỉnh lưu môït diod) và điều khiển pha áp xoay chiều sơ đồ một pha với tải thuần trở Chứng tỏ là trị số hiệu dụng áp trên tải trong hai trường hợp đều bằng 1 2 hiện dũng áp nguồn

4 Sử dụng phụ lục 1 để tính góc kích thyristor của sơ đồ điều khiển pha áp xoay chiều tải

R để có trị hiệu dụng áp ra là 110 v khi áp nguồn là 220 v (hiệu dụng)

Hướng dẫn: vì dòng áp trên tải R tỉ lệ ( i o = v o R), suy ra trị số hiệu dụng áp, dòng cũng tỉ lệ:

OR

T o T

T

T o T

Theo ví dụ của PL 1.2, I OR = 2⋅I RN ⋅I B , I RN tra bảng theo (α,φ),I B = 2V / Z ta có:

RN B

PHỤ LỤC 1 : G IẢI BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN PHA DÒNG GIÁN ĐOẠN TẢI RL BẰNG ĐỒ THỊ :

Việc giải tích dòng điện các sơ đồ điều khiển pha tải RL đều có thể quy về dạng cơ bản: một SCR làm việc với nguồn xoay chiều như hình PL1 Thật vậy, ở bất kỳ sơ đồ, mỗi lúc một pha lưới chỉ có thể có dòng qua một SCR, tạo ra một xung dòng điện Hình PL1 khảo sát trường hợp xung dòng dương, tương ứng với bán kỳ dương của nguồn, xung dòng âm hoàn toàn tương tự

PL1.1

Ta có : nguồn hình sin v=V 2 sinωt

R

wL tg L

R

Z = 2 + ω 2và góc pha φ = −1

tảitrở

Như đã khảo sát, phương trình dòng i O có dạng < 2.10 >:

−φ

−ω

=

ωt , i sin( ) sin( ) e−γω ⋅ τ

o tương ứng

απ

τ

⋅ ω α

− ω

−α

−φ

−ω

Z

V I

) t ( o

2

Trị hiệu dụng dòng IOR: ∫ ( ) α∫+γ( )

απ

=

212

1

∫+γ

α α

τ

⋅ ω α

− ω

−α

−φ

−ω

Z

V I

) t ( OR

Ví dụ: Cho sơ đồ điều khiển pha áp xoay chiều một pha tải RL

b XL phải bằng bao nhiêu để

có góc dẫn bằng 180 ?

α = 60 O và γ = 180O => φ = 60O

=> XL = R tg(60O) = 17.32 ohm

2 Tính trị hiệu dụng :

Đồ thị trên hình PL1.3 là kết quả

của tích phân trị số dòng hiệu dụng

Bài giảng tĩm tắt mơn Điện tử cơng suất 1

qua SCR khi đưa < PL1.3 > về hệ

tương đối, đặt: Hình PL1.2 : Đồ thị tính góc dẫn của thyristor tải RL

τ

⋅ ω α

− ω

−α

−φ

−ω

I

) t ( RN

2

21

Do đó để tính IOR, tra bảng để có IRN theo α , φ và suy ra IOR = IB.IRN

Trong thực tế rất hay gặp trường hợp có n xung dòng giống nhau trong một chu kỳ, ví dụ n

= 2 như ở điều khiển pha áp xoay chiều, sơ đồ một pha (hình 2.12) Lúc đó, kết quả sẽ phải nhân cho n

Thật vậy, biểu thức cho trị hiệu dụng dòng điện một xung

( )

∫γ

+α

απ

21

1

Biểu thức cho trị hiệu dụng

dòng điện n xung giống nhau trong

một chu kỳ:

( )

∫+γ

α α π

/ V

I B = 2⋅ =22Tra bảng , với α = 60 O và φ = 45 O IRN = 0.45 => I OR = 2⋅I B⋅0.45=13.96A

3 Tính trị trung bình :

Tương tự như tính toán dòng hiệu dụng, tích phân < PL1.2 > tính toán trị trung bình sơ đồ ĐKP một SCR khi đưa về hệ tương đối:

dwt e

) sin(

) t sin(

I

I

I

) t ( B

− ω

−α

−φ

−ω

Vậy trị trung bình ở hệ

tương đối ION chỉ phụ thuộc

α , φ ( hình PL1.4 )

Do đó để tính IO, tra

bảng để có ION theo α , φ và

suy ra IO = IB.ION

Tính toán trị trung bình

với SCR chỉ gặp trong chỉnh lưu

điều khiển pha ( chương 3 ), khi

ngỏ ra là điện một chiều Phụ

lục này chỉ giúp tính toán cho

trường hợp dòng gián đoạn, khi

dòng điện có những khoảng

bằng zero

Trong thực tế rất hay gặp

Hình PL1.4 Trị trung bình dòng điện sơ đồ ĐKP một SCR trường hợp có n xung dòng giống nhau trong một chu kỳ, ví dụ n = 3 như ở chỉnh lưu hình tia 3

pha điều khiển pha Lúc đó, kết quả sẽ phải nhân cho n Chứng minh tương tự như trường hợp tính

toán trị hiệu dụng :

Tích phân dòng trung bình cho một xung 1

Ví dụ : Cho sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển pha ( n = 2 ), tải RL:

R = 10 Ω, XL = 10 Ω, áp nguồn 220 V

Tính trị trung bình dòng

qua tải khi α = 100 O

Giải: Z = (10 2 + 10 2 ) ½ = 14.1 và φ = 45 O

- Kiểm tra dòng gián đoạn: Là điều kiện cần để sử dụng các bảng tra

α = 100 O và φ = 45 O => γ = 123O dòng gián đoạn, vì γ bé hơn góc dẫn khi dòng liên tục của sơ đồ hai xung là 360O / 2 = 180O

- Tính dòng trung bình qua tải:

Tra bảng , với α = 100 O và φ = 45 O => ION = 0.14

A I

I O =2⋅ B⋅014=616